Retroalimentación – Trabajo sustitutorio

1. Un problema ambiental que está teniendo un fuerte impacto en la vida sobre la tierra es la lluvia ácida. Al respecto conteste:

a) ¿Qué es la lluvia ácida? (2p)

b) ¿Cómo se produce la lluvia ácida? (2p)

c) ¿Cuáles son las reacciones químicas que tienen lugar en la formación de la lluvia ácida? (2p)

d) ¿Cuáles son los efectos de la lluvia ácida sobre el medio ambiente? (2p)

1.a) La lluvia ácida es cualquier precipitación atmosférica (lluvia, granizo o nieve) que tiene concentraciones altas de ácido sulfúrico y nítrico.

1.b) Puede tener causas naturales o artificiales. Las plantas en descomposición, las aguas termales, las erupciones volcánicas, etc. liberan gases que mezclados con el aire pueden provocar lluvia ácida, pero las principales causas de la lluvia ácida son provocadas por el hombre. La mayor parte de los gases que provocan lluvia ácida proviene de la quema de combustibles fósiles (petróleo, carbón, etc.) en autos, aviones, centrales eléctricas, fábricas y todo tipo de máquinas. Los gases que más contribuyen a la formación de lluvia ácida son el dióxido de azufre (SO2) y los óxidos de nitrógeno (NOX) que reaccionan con la humedad del aire, con el oxígeno y otras sustancias químicas presentes en la atmósfera formando ácido sulfúrico y ácido nítrico. La luz del sol acelera estas reacciones. Los ácidos así formados permanecen en las nubes y luego se precipitan en forma de lluvia, granizo o nieve. La lluvia por naturaleza es levemente ácida y sin presencia de contaminación tiene un pH entre 5 y 6 debido a la presencia de dióxido de carbono (CO2), pero cuando se forman ácidos por la contaminación, la acidez se eleva y el pH puede bajar a 3.

1.c) Las reacciones que dan lugar a la lluvia ácida son, entre otras:

2 2 3

3 2 2 4

X 2 2 3

2 SO O 2 SO

SO H O H SO

NO O H O HNO

1.d) Las consecuencias de la lluvia ácida son muchas pero todas perjudiciales. La lluvia ácida se mezcla con las masas de agua y se filtra en los suelos reduciendo el pH y favoreciendo la movilidad de metales tóxicos, principalmente del aluminio. El ácido de la lluvia produce lixiviación de los nutrientes del suelo perjudicando el crecimiento de las plantas. Además, el ácido produce abrasión en las hojas, retrasando el crecimiento de las plantas y haciéndolas vulnerables al ataque de parásitos. La acidificación del agua afecta a algas, camarones, cangrejos, mejillones, peces interrumpiendo su ciclo reproductivo. Los seres humanos son afectados al consumir plantas y animales contaminados.

2. Una de las tecnologías más amigables con el medio ambiente es la iluminación con leds.

a) Describa el fenómeno a nivel atómico por el cual un led emite luz. (3p)

b) ¿A qué se deben los diferentes colores de los leds? (2p)

c) Por años fue un problema obtener luz blanca con leds. Explique cómo se obtienen leds de luz blanca y por qué ha sido difícil lograrlos. (2p)

2.a) Un diodo led es un dispositivo electrónico formado por la unión de dos regiones formadas por materiales semiconductores diferentes: una negativa “N” (con abundancia de electrones libres) que corresponde al cátodo, y otra positiva “P” (a la que le faltan electrones, lo que se denominan “huecos”) que corresponde al ánodo. En el punto de unión o “juntura”, los electrones y los huecos se recombinan y forman una barrera que termina impidiendo el paso de los electrones de la región “N” a la “P”, a menos que se les aplique energía mediante una polarización del diodo. Al aplicar a los terminales del led un voltaje con la polaridad adecuada los electrones adquieren la energía necesaria y pueden atravesar la barrera. Cuando un electrón del lado “N” atraviesa la barrera y

se recombina con un “hueco” del lado “P”, la energía extra que el electrón adquirió para atravesar la barrera, se libera en forma de fotón de luz.

2.b) La luz emitida por un led tendrá diferentes frecuencias que dependen de los materiales utilizados para la construcción del led. Por ejemplo, el fosfato de galio arsenídico (GaAsP) emite luz roja, el nitruro de galio (GaN) emite luz azul, y el fosfato de galio (GaP) emite luz verde.

2.c) Hay dos maneras de obtener leds de luz blanca. La primera es utilizando tres leds de colores primarios (rojo, verde y azul) cuya luz al mezclarse es percibida por el ojo humano como luz blanca. Este es el caso de los leds RGB. La segunda manera es utilizando un led de color azul o de otro color cercano al ultravioleta, al cual se le recubre con una capa de fósforo. La primera de ambas técnicas no es muy utilizada. La segunda se usa más extensamente. Si se recubre el diodo con fósforo amarillo se obtiene luz blanca fría. Si por el contrario, se recubre con fósforo rojo y verde se obtiene luz blanca cálida.

En cualquier caso, se tardó años en desarrollar leds de luz blanca porque no fue fácil desarrollar los leds de color azul. Los leds azules se inventaron recién en 1992, lo que incluso les valió a sus creadores el premio Nobel de Física dada su importancia. Solo entonces fue posible obtener leds de luz blanca.

3. Actualmente hay un material que ha sorprendido a la comunidad científica por sus innumerables potenciales aplicaciones: el grafeno.

a) ¿Qué es el grafeno? ¿Cuáles son las características que lo hacen tan especial? (2p)

b) ¿De qué manera puede contribuir el grafeno a la aparición de una revolución energética en el futuro? (3p)

3.a) El grafeno es un material que se obtiene a partir del grafito, que es una forma de carbono muy abundante en la naturaleza. Se trata de átomos de carbono agrupados en una estructura muy densa en forma de una lámina que tiene el grosor de un átomo (cientos de miles de veces más delgado que una hoja de papel).

Red de grafeno

El grafeno es un extraordinario conductor de la electricidad y del calor (conduce la electricidad 10 veces más rápido que el silicio). Es muy transparente. Es más resistente que el propio diamante y 200 veces más resistente que el acero. Es impenetrable ya que ni los átomos más pequeños de la naturaleza lo pueden atravesar. Además, al aplicársele ondas de una determinada frecuencia, multiplica esa frecuencia generando señales del doble o triple de la frecuencia aplicada. Estas características le dan al grafeno casi infinitas posibilidades de aplicación.

3.b) El grafeno es un material que aún está en desarrollo. Sin embargo se pueden anticipar algunas de sus aplicaciones. En cuanto a energía, con el grafeno se podrán construir baterías de muchísima mayor duración que las actuales y que podrán cargarse en muy poco tiempo, sustituyendo además a otros materiales menos abundantes y contaminantes. Asimismo, el grafeno puede generar electricidad a partir de le energía solar de una manera muchísimo más eficiente que las conocidas actualmente, lo que lo hace particularmente interesante para generar

energía eléctrica sin contaminación. Su elevada conductividad permitirá también establecer conexiones mucho más rápidas y eficientes en el campo de las comunicaciones.